再制造大型熱軋支承輥的堆焊層開裂失效分析

聶斌英

(宜春學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院，江西 宜春 336000)

大型支承輥是寬帶鋼熱連軋機(jī)、中厚板軋機(jī)、寬厚板軋機(jī)等設(shè)備中的重要大型生產(chǎn)工具，在軋機(jī)中起支承工作輥防止其撓曲變形的作用，是軋輥中用量最大的一類[1-2]。大型熱軋支承輥直徑在1 000 mm以上，重量一般不低于40噸，其價(jià)值在百萬以上[3]。熱軋支承輥與工作輥相接觸，輥身表面承受著很大的接觸疲勞應(yīng)力，其表面工作層溫度在100～250 ℃之間，常因出現(xiàn)剝落、潰邊等損傷而過早報(bào)廢[4]。采用埋弧堆焊修復(fù)軋輥一直是國內(nèi)外普遍采用的再制造方法[5]，而且修復(fù)和再制造大型支承輥也具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[6-7]。

大型的Cr3～Cr5熱軋支承輥的堆焊修復(fù)層厚度大，堆焊金屬重量達(dá)數(shù)噸，母體金屬與堆焊層容易在堆焊時(shí)發(fā)生相變，導(dǎo)致開裂。同時(shí)，支承輥與工作輥接觸，為了保護(hù)工作輥面，支承輥面的硬度較低。因此，目前再制造熱軋支承輥堆焊層傾向于低碳、強(qiáng)度高、相對韌性好的單一低碳回火馬氏體，并在基體上分布著均勻細(xì)小的彌散合金碳化物的堆焊材料[8-9]。然而，在熱軋服役過程中，這類堆焊材料的輥面堆焊層常出現(xiàn)開裂剝落現(xiàn)象，降低了再制造軋輥的質(zhì)量穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響其使用壽命，從而給大型軋輥堆焊修復(fù)與再制造技術(shù)在冶金企業(yè)的應(yīng)用帶來了極大困擾。

某企業(yè)采用埋弧堆焊再制造1780熱軋機(jī)支承輥，單邊堆焊厚度超過45 mm，在服役僅一個(gè)周期(約18天)內(nèi)，該輥堆焊層便出現(xiàn)開裂而停機(jī)檢修。再制造熱軋支承輥的早期失效不僅給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟(jì)損失，也極大挫傷了軋鋼生產(chǎn)企業(yè)使用再制造輥的積極性。針對該再制造支承輥，本文分別進(jìn)行堆焊層化學(xué)成分檢測、顯微組織觀察、硬度測試，以及分析開裂層微觀組織演變和裂紋的形核和擴(kuò)展，揭示輥面堆焊層在軋鋼生產(chǎn)過程中的早期失效機(jī)制，為大型支承輥再制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定工業(yè)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 再制造支承輥堆焊層開裂形貌

圖1為1780熱軋機(jī)再制造熱軋支承輥堆焊層開裂的裂紋形貌。該支承輥的母材材質(zhì)為鍛鋼60CrNiMo，其輥身尺寸為Φ1 600 mm×1 700 mm。

圖1 再制造熱軋支承輥面堆焊層裂紋形貌與樣品切割位置：(a) 輥面堆焊層裂紋形貌；(b) 分析樣品的切割位置；(c) 剝離開裂堆焊層后的斷口形貌；(d)圖(c)中位置B處的放大像；(e) 圖(c)中位置C處的放大像

由圖1(a)可見，堆焊層開裂部位在輥面的端部，為了方便描述，本文定義軋輥表面的軸向剖面為x軸方向，表面周向?yàn)閥軸方向。主裂紋為徑向—y軸方向，裂紋長度約260 mm、深度約11 mm，其中圖1(a)中黃色箭頭處為裂紋源。在軸向出現(xiàn)二次裂紋分支，如“A”位置箭頭所示。針對堆焊層開裂的裂紋區(qū)進(jìn)行切割、剝離，圖1(b)所示為切割后輥面留下的凹坑。圖1(c)為開裂堆焊層剝離后的輥面形貌，其中黃色箭頭為裂紋源處，虛線箭頭示出裂紋擴(kuò)展的路徑，其中在 “A” 位置箭頭處為二次裂紋分支，呈疲勞輝紋特征。圖1(e)為圖1(c)中“C”位置箭頭所示的放大像，圖中箭頭示出疲勞輝紋，其疲勞條帶間距大于圖1(d)，表明該位置裂紋擴(kuò)展速度較快。

2 堆焊層失效分析

2.1 化學(xué)成分檢測

從失效支承輥堆焊層上取樣，進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，符合堆焊材料的設(shè)計(jì)成分標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 堆焊層硬度檢測

在圖1所示的再制造熱軋支承輥堆焊層上取樣進(jìn)行顯微硬度測試，圖2為其硬度壓痕形貌，結(jié)果為429、411、423、388和399HV堆焊層硬度分布較均勻。

表1 再制造支承輥面堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖2 再制造熱軋支承輥堆焊層顯微硬度壓痕形貌

2.3 堆焊層顯微組織

利用Zeiss D1M金相顯微鏡對經(jīng)鑲嵌、磨拋、4%(體積比)硝酸酒精溶液腐蝕后的再制造熱軋支承輥堆焊層試樣進(jìn)行組織分析，其形貌如圖3所示?？梢?，堆焊層的顯微組織主要為板條馬氏體、殘余奧氏體，以及少量彌散分布的碳化物顆粒。其中，殘余奧氏體更耐腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下呈白色，見圖3箭頭所示，在堆焊層中的含量較多。

圖3 再制造熱軋支承輥面堆焊層組織

2.4 開裂堆焊層微觀組織形態(tài)與斷口形貌

根據(jù)赫茲理論，熱軋支承輥承受工作輥的接觸載荷[10-11]，接觸區(qū)應(yīng)力狀態(tài)如圖4所示。在接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生局部的彈性壓扁，存在呈半橢圓形分布的壓應(yīng)力σ，而接觸區(qū)剪切應(yīng)力τ45°沿距輥面深度呈曲線下降。一般情況下，熱軋支承輥的輥面開裂是在接觸壓應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ45°的共同作用下產(chǎn)生的。

圖4 支承輥與工作輥之間的接觸應(yīng)力分布

圖5為再制造熱軋支承輥開裂處堆焊層沿軸向的微觀組織。圖5(a)為堆焊層剝落塊的宏觀組織，共8層堆焊層，各堆焊層內(nèi)無氣孔、夾渣等焊接缺陷。在服役過程中，在接觸壓應(yīng)力σ作用下，輥面粘附的軋制板材金屬鐵粉會(huì)造成應(yīng)力集中，從而在輥面形成壓坑，如圖5(b)所示。在壓坑附近有明顯的塑性變形層，表明堆焊層塑性較好，并在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下形成疲勞裂紋。在裂紋向堆焊層內(nèi)部擴(kuò)展過程中，主裂紋附近堆焊層產(chǎn)生塑性變形，且有較多的二次裂紋產(chǎn)生(黑色箭頭)，如圖5(c)所示。當(dāng)裂紋在堆焊層內(nèi)部發(fā)生軸向擴(kuò)展時(shí)，產(chǎn)生堆焊層開裂現(xiàn)象，其主裂紋(黃色箭頭)附近堆焊層也產(chǎn)生塑性變形，且也有較多二次裂紋產(chǎn)生，如圖5(d)所示。由圖5可知，在接觸壓應(yīng)力σ作用下，輥面堆焊層產(chǎn)生表面裂紋并沿支承輥的周向和徑向擴(kuò)展。

圖5 再制造熱軋支承輥堆焊層開裂剝落塊沿軸向截面微觀組織(圖1(a)的x方向)：(a) 開裂堆焊層宏觀形貌；(b) 圖(a)中“A”位置的微觀組織；(c) 圖(a)中“B”位置的微觀組織；(d) 圖(a)中“C”位置的微觀組織

圖6為再制造熱軋支承輥開裂堆焊層沿徑向的微觀組織。在切應(yīng)力τ45°作用下的，如圖6(a)所示，在次表層的輥面堆焊層產(chǎn)生塑變并形成裂紋，且裂紋平行于表面擴(kuò)展，形成片狀剝落。而且，在接觸應(yīng)力摩擦作用下，輥面堆焊層發(fā)生淬硬，殘余奧氏體含量明顯減少，如圖6(b)所示。

圖7為再制造熱軋支承輥開裂堆焊層斷口SEM形貌。由圖7(a)可以看出，輥面壓坑處堆焊金屬發(fā)生折疊，并未出現(xiàn)脆性剝落。在裂紋向堆焊層內(nèi)部徑向擴(kuò)展過程中，為韌窩斷口形貌，如圖7(b)所示。裂紋軸向擴(kuò)展為塑性斷裂的疲勞輝紋形貌，如圖7(c)所示，呈低周疲勞斷裂特征。

圖6 再制造熱軋支承輥開裂堆焊層沿徑向微觀組織(圖1(a)的y方向)：(a) 堆焊層裂紋形貌；(b) 堆焊層淬硬組織

圖7 再制造熱軋支承輥開裂堆焊層斷口SEM形貌：(a) 圖5中“A”位置形貌；(b) 圖5中“B”位置形貌；(c) 圖5中“C”位置形貌

3 堆焊層失效機(jī)理與調(diào)控措施

由上述檢測結(jié)果可知，該再制造熱軋支承輥堆焊層硬度均勻，無宏觀焊接缺陷，且未見異常粗化組織，堆焊層顯微組織正常。然而，在服役早期仍然出現(xiàn)了支承輥堆焊層開裂現(xiàn)象，符合低周疲勞特征。

在軋制過程中，軋輥?zhàn)冃螀^(qū)和冷卻區(qū)不斷交替變化，即軋輥在承受不斷進(jìn)行加熱和冷卻的熱應(yīng)力沖擊[12-13]，在再制造熱軋支承輥的堆焊層表層出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象(如圖6(b)所示)，但未出現(xiàn)表層微裂紋、氧化層以及氧化皮剝落，表明熱應(yīng)力沖擊不是造成軋輥堆焊層開裂的因素。

軋輥在軋制過程中，每轉(zhuǎn)一周，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替作用，輥身應(yīng)力集中的地方就產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力，極易在缺陷處產(chǎn)生裂紋[14-15]。盡管在堆焊層裂紋萌生、擴(kuò)展的路徑上未發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔等缺陷，但經(jīng)過一定的交變應(yīng)力循環(huán)作用之后，堆焊層金屬表層出現(xiàn)明顯塑性流變層，在次表層的塑性流變層內(nèi)裂紋形核(如圖6(a)所示)，且在裂紋擴(kuò)展過程中也出現(xiàn)塑性流變層(圖7(b))和疲勞輝紋(圖7(c))，表明堆焊金屬屈服強(qiáng)度低是造成在接觸應(yīng)力載荷下堆焊層開裂的主要因素。

在再制造支承輥面堆焊層的表層、次表層和擴(kuò)展裂紋附近的大量亞穩(wěn)相殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變(圖5)，這是接觸應(yīng)力誘導(dǎo)下的殘余奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變。由于堆焊層中殘余奧氏體含量多，這種奧氏體→馬氏體轉(zhuǎn)變是需要較長時(shí)間的接觸摩擦、裂紋反復(fù)開合和撞擊的應(yīng)力誘導(dǎo)相變過程。而且，開裂堆焊層為韌窩和疲勞輝紋斷口形貌，表明堆焊層開裂不是一個(gè)脆性斷裂過程。另外，在堆焊層次表層中的大量殘余奧氏體發(fā)生馬氏體相轉(zhuǎn)變的區(qū)域，盡管未出現(xiàn)明顯塑性流變層，但仍出現(xiàn)微裂紋(圖6所示)，表明這種組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力也促進(jìn)了裂紋的形成。

通過上述分析，該再制造熱軋支承輥堆焊層開裂主要是由于堆焊層硬度、強(qiáng)度較低，無法達(dá)到支承輥工況要求造成的。其中，高含量奧氏體相降低了再制造輥面堆焊層硬度。因此，本文進(jìn)行了焊后熱處理工藝優(yōu)化，通過更長時(shí)間的熱處理時(shí)效，促進(jìn)堆焊層內(nèi)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，減少殘余奧氏體含量，并析出碳化物，從而提高堆焊層金屬的硬度、強(qiáng)度。

表2為兩種焊后熱處理工藝條件下的堆焊層硬度和拉伸性能。由表2可知，經(jīng)過560 ℃×36 h熱處理后，堆焊層硬度提升60～70HV，拉伸屈服強(qiáng)度提升25%以上。

表2 兩種熱處理工藝下的堆焊層室溫硬度和拉伸性能

圖8為兩種焊后熱處理工藝條件下的堆焊層試樣微觀組織。經(jīng)560 ℃×12 h保溫、隨爐緩冷后，堆焊層的殘余奧氏體含量較多，如圖8(a)所示。經(jīng)過560 ℃×36 h保溫、隨爐緩冷后，堆焊層的殘余奧氏體含量明顯減少，并有較多碳化物顆粒彌散析出，如圖8(b)所示，箭頭所示為碳化物。其中，為了模擬大型再制造熱軋支承輥隨爐緩冷的降溫速度，堆焊層試樣的降溫速度設(shè)定為：560 ℃→460 ℃的平均降溫速度約10 ℃/h；460 ℃→360 ℃的平均降溫速度約為6 ℃/h；360 ℃→150 ℃的平均降溫速度約4 ℃/h。

圖8 兩種焊后熱處理工藝下的支承輥堆焊層微觀組織：(a) 560 ℃×12 h；(b) 560 ℃×36 h

再制造熱軋支承輥焊后進(jìn)行560 ℃×36 h熱處理組織優(yōu)化，通過兩年時(shí)間的生產(chǎn)線使用驗(yàn)證，在服役周期內(nèi)輥面堆焊層開裂事故不再發(fā)生，已能夠很好的滿足熱軋支承輥的工作要求。

4 結(jié) 論

本文的再制造大型熱軋支承輥堆焊層組織主要為馬氏體、殘余奧氏體和少量碳化物顆粒，在接觸應(yīng)力反復(fù)作用下發(fā)生了堆焊層開裂，其裂紋形成機(jī)制分析如下：

1)堆焊層開裂的主要失效機(jī)制是低周接觸疲勞。由于堆焊層內(nèi)殘余奧氏體含量過多，造成馬氏體相含量相對不足，堆焊金屬低硬度、低強(qiáng)度，降低了再制造熱軋支承輥面堆焊層抗接觸應(yīng)力疲勞性能，導(dǎo)致輥面次表層萌生疲勞裂紋而發(fā)生堆焊層接觸疲勞剝裂。

2)再制造支承輥面堆焊層的裂紋萌生和擴(kuò)展區(qū)域均存在大量亞穩(wěn)相殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，且開裂堆焊層為韌窩和疲勞輝紋斷口形貌，表明堆焊層開裂不是在很短時(shí)間內(nèi)完成的瞬間開裂，而是較長時(shí)間的韌性疲勞斷裂過程。

3)通過延長焊后熱處理時(shí)效時(shí)間，促使堆焊層殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，減少輥面堆焊層亞穩(wěn)相殘余奧氏體含量，并彌散析出碳化物沉淀強(qiáng)化，以此提高再制造支承輥面硬度、強(qiáng)度，可有效降低輥面堆焊層開裂，提高再制造大型熱軋支承輥的使用壽命。